Отрицательный электрод для аккумуляторной батареи и способ его изготовления

Отрицательный электрод для аккумуляторной батареи и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к отрицательному электроду для аккумуляторной (вторичной) батареи и к способу изготовления этого отрицательного электрода.

Предпосылки изобретения

[0002] В последние годы стало чрезвычайно желаемым сокращение выбросов CO₂ для решения проблемы глобального потепления. Автомобильная промышленность имеет растущие ожидания по внедрению электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV) для сокращения выбросов CO₂ и интенсивно работает над разработкой приводящих в действие двигатель (тяговых) аккумуляторных батарей, которые становятся ключевыми для практического применения этих электромобилей.

[0003] Приводящие в действие двигатель аккумуляторные батареи должны иметь очень высокие выходные характеристики и высокую энергию по сравнению с потребительскими литий-ионными аккумуляторными батареями для мобильных телефонов, ноутбуков и т.д. Внимание уделяется литий-ионным аккумуляторным батареям, имеющим относительно высокую теоретическую энергию среди всех батарей. В настоящее время разработка таких литий-ионных аккумуляторных батарей быстро продвигается.

[0004] В общем, литий-ионная аккумуляторная батарея включает в себя положительный электрод, в котором активный материал положительного электрода нанесен с использованием связующего и т.п. на обе стороны токоотвода (токосъемника) положительного электрода, и отрицательный электрод, в котором активный материал отрицательного электрода нанесен с использованием связующего и т.п. на обе стороны токоотвода (токосъемника) отрицательного электрода. Эти положительный и отрицательный электроды соединены друг с другом через пропитанный электролитом сепаратор и заключены в корпусе батареи.

[0005] Одной из проблем практического применения аккумуляторных батарей, таких как литий-ионные аккумуляторные батареи, является то, что по некоторым причинам между слоями активного материала положительного и отрицательного электродов возникает так называемое внутреннее короткое замыкание даже не смотря на то, что слои активного материала положительного и отрицательного электродов отделены друг от друга сепаратором. Возникновение внутреннего короткого замыкания в батарее приводит к непрерывному протеканию электрического тока через генерирующий электроэнергию элемент батареи даже не смотря на то, что батарея не имеет никакого соединения с внешней нагрузкой. Это становится причиной тепловыделения в батарее и, в некоторых случаях, вызывает отрицательное влияние на рабочие характеристики батареи. Потребовалось разработать методы эффективного предотвращения такой проблемы внутреннего короткого замыкания и тепловыделения. При сложившихся обстоятельствах, однако, так и не создано какого-либо адекватного решения проблемы внутреннего короткого замыкания и тепловыделения. При разработке методов предотвращения проблемы внутреннего короткого замыкания и тепловыделения необходимо не вызывать отрицательное влияние на рабочие характеристики батареи, принимая во внимание тот факт, что батарея нуждается в дальнейших улучшениях рабочих характеристик.

[0006] С другой стороны, патентный документ 1 раскрывает метод формирования слоя активного материала отрицательного электрода литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием углеродного активного материала отрицательного электрода, содержащего наночастицы керамического материала, такого как оксид алюминия. Обычно вероятно, что когда толщина слоя активного материала отрицательного электрода становится увеличенной для улучшения плотности энергии литий-ионной аккумуляторной батареи, с увеличением плотности заряда отрицательного электрода будет происходить осаждение металлического лития. Метод по патентному документу 1 предназначен для того, чтобы решить такую проблему осаждения лития, и не предназначен для того, чтобы предотвратить вышеупомянутую проблему внутреннего короткого замыкания и тепловыделения.

Документы уровня техники

Патентный документ

[0007] Патентный документ 1: выложенная японская патентная публикация № 2007-305545.

Сущность изобретения

[0008] Соответственно, задачей настоящего изобретения является предоставление метода эффективного предотвращения возникновения тока короткого замыкания из-за внутреннего короткого замыкания и возникновения тепловыделения из-за такого тока короткого замыкания в аккумуляторной батарее при сохранении рабочих характеристик аккумуляторной батареи.

[0009] Согласно настоящему изобретению предусмотрен отрицательный электрод для аккумуляторной батареи, содержащий токоотвод и слой активного материала отрицательного электрода, сформированный на поверхности токоотвода и содержащий частицы активного материала отрицательного электрода, причем слой активного материала отрицательного электрода дополнительно содержит изолирующий материал, расположенный между частицами активного материала отрицательного электрода так, чтобы предотвратить развитие проводимости путем перколяции по всему слою активного материала отрицательного электрода.

[0010] Отрицательный электрод для аккумуляторной батареи согласно настоящему изобретению не развивает проводимость путем перколяции по всему слою активного материала отрицательного электрода даже при возникновении внутреннего короткого замыкания. Поэтому возможно эффективно предотвращать возникновение тока короткого замыкания из-за внутреннего короткого замыкания и возникновение тепловыделения из-за такого тока короткого замыкания в батарее. Также возможно обеспечить достаточные рабочие характеристики батареи, поскольку в настоящем изобретении имеется лишь небольшое увеличение электрического сопротивления самого отрицательного электрода.

Краткое описание чертежей

[0011] Фиг. 1 является схематическим видом в разрезе отрицательного электрода литий-ионной аккумуляторной батареи согласно одному иллюстративному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 2 является схематическим видом, показывающим состояние частиц активного материала в отрицательном электроде согласно первому варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 3 является схематическим видом, показывающим состояние частиц активного материала в отрицательном электроде согласно второму варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 4 является схематическим видом в разрезе биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно одному иллюстративному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 5 является полученным в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) изображением активного материала отрицательного электрода из Примера 1-2.

Фиг. 6 является полученным в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) изображением активного материала отрицательного электрода из Примера 3-2.

Фиг. 7 является диаграммой, показывающей результаты количественного анализа алюминия в активном материале отрицательного электрода из Примера 3-2 с помощью эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

Фиг. 8 является полученным в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) изображением активного материала отрицательного электрода из Примера 5-1.

Описание вариантов воплощения

[0012] Во-первых, основание, на котором настоящее изобретение было создано его авторами, будет кратко описано ниже. Здесь отмечено, что: нижеследующее описание относительно механизма настоящего изобретения может частично базироваться на предположениях; и технический объем настоящего изобретения не ограничен следующим механизмом.

[0013] Против вышеупомянутой проблемы внутреннего короткого замыкания и тепловыделения авторы настоящего изобретения попытались предотвратить интенсивное протекание тока короткого замыкания в область возникновения внутреннего короткого замыкания посредством уменьшения электрического сопротивления токоотвода в генерирующем электроэнергию элементе батареи. Например, авторы настоящего изобретения предприняли попытку использовать в батарее металлический токоотвод с уменьшенной толщиной и тем самым "погасить" область возникновения внутреннего короткого замыкания при выделении джоулевого тепла из-за тока короткого замыкания с целью предотвращения дальнейшего тока короткого замыкания. Эта попытка оказалась очень эффективной и в какой-то мере успешной для решения проблемы внутреннего короткого замыкания и тепловыделения.

[0014] В последние годы интенсивно развивались батареи (биполярные аккумуляторные батареи), включающие в себя генерирующий электроэнергию элемент с электродом (биполярным электродом), в котором слои активного материала различных - положительной и отрицательной - полярностей сформированы на противоположных сторонах токоотвода с целью улучшения отдачи аккумуляторных батарей. Генерирующий электроэнергию элемент биполярной аккумуляторной батареи имеет такую конструкцию, что единичные аккумуляторы соединены последовательно через поверхность электрода так, чтобы во время использования биполярной аккумуляторной батареи вызвать протекание электрического тока через генерирующий электроэнергию элемент в направлении наслаивания единичных аккумуляторов. Недавно с целью снижения веса аккумуляторной батареи был также предложен так называемый «токоотвод на основе смолы» посредством использования в качестве материала токоотвода в генерирующем электроэнергию элементе материала на основе смолы вместо металлического материала. Токоотвод на основе смолы образован из материала на основе проводящей смолы с диспергированным в ней проводящим наполнителем или образован слоем смолы из проводящего полимерного материала.

[0015] Авторы настоящего изобретения выполнили исследования по возникновению внутреннего короткого замыкания в батарее, к которой применены в комбинации две вышеупомянутые технологии (то есть биполярная аккумуляторная батарея с токоотводом на основе смолы). Поскольку сам токоотвод на основе смолы имеет намного более высокое электрическое сопротивление, чем у традиционного металлического токоотвода, то кажется легче предотвратить протекание тока короткого замыкания из-за внутреннего короткого замыкания в биполярной аккумуляторной батарее с токоотводом на основе смолы, чем в биполярной аккумуляторной батарее с металлическим токоотводом. В результате исследований, однако, авторы настоящего изобретения наблюдали явление, противоположное вышеупомянутым традиционным техническим познаниям, т.е. обнаружили, что ток короткого замыкания продолжает течь при возникновении внутреннего короткого замыкания в биполярной аккумуляторной батарее с токоотводом на основе смолы также, как и в случае с биполярной аккумуляторной батареей с металлическим токоотводом.

[0016] Авторы настоящего изобретения выполнили дополнительные исследования причины вышеупомянутого явления и обнаружили, что в биполярной батарее с токоотводом на основе смолы ток короткого замыкания продолжает течь через среду слоя активного материала отрицательного электрода при возникновении внутреннего короткого замыкания.

[0017] Некоторые иллюстративные варианты воплощения настоящего изобретения, которые были реализованы в результате исследований, основанных на вышеупомянутых обнаруженных результатах, будут в дальнейшем описаны ниже со ссылками на чертежи. На чертежах сходные детали и части обозначены сходными ссылочными номерами, чтобы опустить повторение их описаний; и размеры соответствующих деталей и частей могут быть увеличены в целях иллюстрации и могут отличаться от фактических размеров.

Отрицательный электрод: первый вариант воплощения

[0018] Фиг. 1 является схематическим видом в разрезе отрицательного электрода для литий-ионной аккумуляторной батареи согласно одному иллюстративному варианту воплощения (первому варианту воплощения) настоящего изобретения. Отрицательный электрод для литий-ионной аккумуляторной батареи, показанный на Фиг. 1, будет пояснен ниже в качестве примера, но не предназначен ограничивать им технический объем настоящего изобретения.

[0019] Как показано на Фиг. 1, отрицательный электрод 1 включает в себя токоотвод 2 и слой 3 активного материала отрицательного электрода, сформированный на поверхности токоотвода 2 и содержащий частицы активного материала отрицательного электрода (не показаны). Соответствующие конструктивные детали отрицательного электрода 1 согласно настоящему варианту воплощения будут объяснены ниже. Однако отрицательный электрод 1 не ограничен следующей конструкцией и может иметь любую традиционно известную конструкцию.

Токоотвод

[0020] Токоотвод сформирован из проводящего материала. Слой активного материала расположен на одной стороне или на обеих сторонах (обычно на обеих сторонах) токоотвода. Нет никакого конкретного ограничения на материал токоотвода. В качестве материала токоотвода может использоваться металлический материал, проводящий полимерный материал или проводящая смола (токоотвод на основе смолы), в котором к непроводящему полимерному материалу добавлен проводящий наполнитель.

[0021] Примерами металлического материала являются алюминий, никель, железо, нержавеющая сталь, титан и медь. Кроме того, может соответственно использоваться плакированный материал из никеля и алюминия, плакированный материал из меди и алюминия и материал с покрытием из комбинации этих металлов. Пригоден также фольговый материал с покрытой алюминием поверхностью металла. Алюминий, нержавеющая сталь и медь предпочтительны с точки зрения электронной проводимости и потенциала работы батареи.

[0022] Примерами проводящего полимерного материала являются полианилин, полипиррол, политиофен, полиацетилен, полипарафенилен, полифениленвинилен, полиакрилонитрил и полиоксадиазол. Эти проводящие полимерные материалы имеют достаточную проводимость без добавления проводящего наполнителя и, таким образом, выгодны с точки зрения простоты производства и снижения веса токоотвода.

[0023] Примерами непроводящего полимерного материала являются полиэтилен (PE: полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE)), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET), полиэфирнитрил (PEN), полиимид (PI), полиамидимид (PAI), полиамид (PA), политетрафторэтилен (PTFE), бутадиен-стирольный каучук (SBR), полиакрилонитрил (PAN), полиметилакрилат (PMA), полиметилметакрилат (PMMA), поливинилхлорид (PVC), поливинилиденфторид (PVdF) и полистирол (PS). Эти непроводящие полимерные материалы имеют хорошую потенциальную устойчивость и стойкость к действию растворителей.

[0024] К проводящему полимерному материалу и к непроводящему полимерному материалу при необходимости добавляют проводящий наполнитель. Проводящий наполнитель важен для того, чтобы придать смоле проводимость в случае, когда в качестве смолы-основы токоотвода используется только непроводящий полимерный материал. Нет никакого конкретного ограничения на проводящий наполнитель при условии, что проводящий наполнитель является любым материалом, обладающим проводимостью. В качестве наполнителя с хорошей проводимостью, устойчивостью к действию потенциала и свойством экранирования ионов лития может быть использован металлический материал или проводящий углеродный материал. Нет никакого конкретного ограничения на металлический материал. Металлический материал предпочтительно включает в себя по меньшей мере один вид металла, выбранного из группы, состоящей из Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb и K, или сплав или оксид металла, содержащий любой из этих металлов. Нет никакого конкретного ограничения на проводящий углеродный материал. Проводящий углеродный материал предпочтительно включает в себя по меньшей мере один вид, выбранный из группы, состоящей из ацетиленовой сажи, углеродной сажи Vulcan, углеродной сажи Black Pearl, углеродных нановолокон, углеродной сажи Ketjen Black, углеродных нанотрубок, углеродных нанорожков, углеродных наношариков и фуллерена. Нет никакого конкретного ограничения на количество проводящего наполнителя при условии, что проводящий наполнитель добавлен в таком количестве, чтобы придать токоотводу достаточную проводимость. В общем, содержание проводящего наполнителя в полимерном материале составляет 5-35 масс.%. Токоотвод должен быть предпочтительно токоотводом на основе смолы для того, чтобы эффективнее проявить эффекты настоящего варианта воплощения.

[0025] Размер токоотвода определяется в зависимости от назначения применения батареи. Например, токоотвод изготавливается большим по площади для применения в крупной батарее, где требуется высокая плотность энергии. Нет никакого конкретного ограничения на толщину токоотвода. Толщина токоотвода обычно имеет порядок 1-100 мкм.

Слой активного материала отрицательного электрода

[0026] Слой 3 активного материала отрицательного электрода содержит частицы активного материала отрицательного электрода и, необязательно, общеизвестную(ые) добавку или добавки. Примерами общеизвестной добавки являются токопроводящий агент для улучшения электропроводности, связующее, электролит (полимерная матрица, ионопроводящий полимер, электролитический раствор), поддерживающая соль-электролит (соль лития) и т.п.

[0027] Частицы активного материала отрицательного электрода имеют состав, который выделяет ионы во время разрядки и поглощает ионы во время зарядки. Нет никакого конкретного ограничения на частицы активного материала отрицательного электрода при условии, что частицы активного материала отрицательного электрода являются частицами любого материала, способного к обратимому поглощению и выделению лития. Предпочтительными примерами частиц активного материала отрицательного электрода являются частицы углеродных материалов, таких как природный графит, синтетический графит, углеродная сажа, активированный уголь, углеродное волокно, кокс, мягкий углерод (мягкая сажа) и твердый (гиперплотный) углерод, металлы, такие как Si и Sn, оксиды металлов, такие как TiO, Ti₂O₃, TiO₂, SiO₂, SiO и SnO₂, сложные оксиды лития-переходных металлов, такие как Li_4/3Ti_5/3O₄, и Li₇MnN, сплавы Li-Pb, сплавы Li-Al и Li. Для того чтобы достаточно проявить эффекты настоящего варианта воплощения, активный материал отрицательного электрода предпочтительно содержит проводящий материал, такой как углерод, металл или сплав, более предпочтительно - углерод. Частицы активного материала отрицательного электрода могут быть одного вида или двух или более видов. Эффекты настоящего варианта воплощения, которыми возможно предотвратить непрерывное протекание тока короткого замыкания из-за возникновения внутреннего короткого замыкания, становятся более выраженными, когда активный материал отрицательного электрода содержит проводящий материал, такой как углерод.

[0028] Нет никакого конкретного ограничения на средний размер частицы (медианный размер) у частиц активного материала отрицательного электрода. С точки зрения высокой емкости, химической активности и циклической устойчивости активного материала отрицательного электрода, средний размер частицы у частиц активного материала отрицательного электрода предпочтительно составляет в диапазоне 1-100 мкм, более предпочтительно в диапазоне 5-30 мкм. Когда средний размер частицы у частиц активного материала отрицательного электрода находится в вышеупомянутом диапазоне, возможно предотвратить увеличение внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи во время зарядки/разрядки при условиях высокой выходной мощности и отвести достаточный ток от аккумуляторной батареи. Средний размер частицы (медианный размер) у частиц активного материала отрицательного электрода может быть определен лазерным дифракционным анализом. Форма частиц активного материала отрицательного электрода варьируется в зависимости от вида или способа получения активного материала отрицательного электрода. Частицы активного материала отрицательного электрода могут быть, но не ограничиваются ими, сферической формы, пластинчатой формы, игольчатой формы, столбчатой формы, рожковой формы и т.п. Предпочтительно, частицы активного материала отрицательного электрода имеют сферическую форму. Когда частицы активного материала отрицательного электрода имеют сферическую форму, возможно уменьшить краевые поверхности между частицами активного материала, однородно прикрепляя изолирующий материал посредством точечного нанесения на поверхности частиц активного материала, и управлять внутренним сопротивлением электрода посредством небольшого количества изолирующего материала.

[0029] Фиг. 2 является схематическим видом, показывающим состояние частиц активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту воплощения. Как показано на Фиг. 2, настоящий вариант воплощения характеризуется тем, что частицы изолирующего материала (более определенно, частицы 5 оксида алюминия) точечно нанесены на поверхности частиц 4 активного материала отрицательного электрода. Точечное нанесение изолирующего материала на поверхности частиц 4 активного материала отрицательного электрода может быть проделано за счет точечной наносимости самого изолирующего материала, где это возможно, или может быть проделано с помощью связующего (не показано). Нет никакого конкретного ограничения на связующее, используемое для того, чтобы обеспечить точечное нанесение изолирующего материала. Возможно использовать любое общеизвестное в технической области аккумуляторной технологии связующее. Примерами такого связующего являются карбоксиметилцеллюлоза (CMC), поливинилиденфторид (PVdF), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилацетат (PVA), полиимид (PI), акриловая смола, эпоксидная смола, полиуретановая смола, карбамидная смола и бутадиен-стирольный каучук (SBR). Наряду с прочими, в настоящем варианте воплощения в качестве связующего при точечном нанесении предпочтительна CMC. Особенно предпочтительна CMC того типа, 1%-ный по массе водный раствор которой имеет вязкость 5-1000 мПа·с. При помощи такого связующего CMC возможно предотвратить слипание и агрегацию частиц изолирующего материала и позволить эффективно проводить точечное нанесение частиц изолирующего материала на поверхности частиц активного материала отрицательного электрода. Вышеупомянутая вязкость 1%-ного по массе водного раствора CMC является значением, измеренным при 25°C вискозиметром типа B.

[0030] В настоящем варианте воплощения частицы 5 оксида алюминия прилепились при точечном нанесении к поверхностям частиц 4 активного материала отрицательного электрода и тем самым расположены между частицами 4 активного материала отрицательного электрода так, чтобы предотвратить развитие проводимости путем перколяции по всему слою 3 активного материала отрицательного электрода. Этот признак будет объяснен более подробно ниже.

[0031] В случае многокомпонентной системы, в которой проводящий материал и изолирующий материал смешаны вместе, по мере того как повышается отношение содержания проводящего материала к содержанию изолирующего материала, обычно появляются локально некоторые области (кластеры), в которых высоко содержание проводящего материала. При микроскопическом исследовании каждый из кластеров допускает в себе поток электронов (электрический ток) между частицами проводящего материала посредством туннельного эффекта. Это явление известно как "перколяция". Путь проводимости, вызванный перколяцией, называется "путем перколяции". С другой стороны, туннельный эффект не действует между кластерами, поскольку кластеры отделены друг от друга изолирующим материалом. Проводимость из-за пути проводимости, таким образом, ограничена внутренностью каждого кластера и не развивается по всей системе. С дальнейшим увеличением относительного содержания проводящего материала и достижением некоего данного уровня (порога перколяции), это выглядит, как если бы появился кластер бесконечного размера, вызывающий перколяцию по всей системе. Когда электроны (электрический ток) попадают в систему, находящуюся в таком состоянии, поток этих электронов (электрический ток) имеет место по всей системе. Это приводит к внезапному увеличению проводимости по всей системе.

[0032] Ввиду требования минимизации полного внутреннего сопротивления батареи, общепринятой технической практикой на момент подачи настоящей заявки было, если возможно, уменьшение внутреннего сопротивления слоя активного материала отрицательного электрода. Обычно, таким образом, изолирующий материал не добавляется между частицами активного материала отрицательного электрода или добавляется между частицами активного материала отрицательного электрода в намного меньшем количестве, чем в настоящем изобретении. Следовательно, относительное содержание частиц активного материала отрицательного электрода в качестве проводящего материала в системе (слое активного материала отрицательного электрода) обычно настолько высоко, что по всей системе (по всему слою активного материала отрицательного электрода) развивается проводимость путем перколяции. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что развитие проводимости по всей системе таким путем перколяции становится причиной непрерывного протекания тока короткого замыкания. Другими словами, электрическое сопротивление обычного слоя активного материала отрицательного электрода слишком низко для того, чтобы предотвратить возникновение и непрерывное протекание тока короткого замыкания из-за внутреннего короткого замыкания в батарее. Даже в вышеупомянутом методе из патентного документа 1 наночастицы просто смешиваются и распределяются в слое активного материала отрицательного электрода, так что слой активного материала отрицательного электрода имеет низкое электрическое сопротивление и, таким образом, дает возможность непрерывно течь току короткого замыкания при возникновении внутреннего короткого замыкания в батарее.

[0033] В настоящем варианте воплощения, напротив, относительное содержание изолирующего материала (частиц 5 оксида алюминия) относительно проводящего материала (частиц 4 активного материала отрицательного электрода) в многокомпонентной системе (слое 3 активного материала отрицательного электрода) установлено более высоким, чем обычный уровень (то есть изолирующий материал присутствует в большем количестве, чем уровень порога перколяции), с тем чтобы не развить проводимость путем перколяции по всему слою 3 активного материала отрицательного электрода. Даже при возникновении внутреннего короткого замыкания в батарее протекание тока короткого замыкания может быть ограничено внутренностью кластера. Батарея может быть эффективно предохранена от тепловыделения из-за протекания такого тока короткого замыкания.

[0034] Как упомянуто выше, в настоящем варианте воплощения возможно получить неожиданные эффекты по предотвращению протекания тока короткого замыкания через слой 3 активного материала отрицательного электрода, преднамеренно увеличивая относительное содержание изолирующего материала в слое 3 активного материала отрицательного электрода, чтобы оно было выше, чем обычный уровень. Вышеупомянутые эффекты в настоящем изобретении могут быть получены очень простым способом управления относительным содержанием материалов-компонентов в слое активного материала отрицательного электрода. Техническая идея настоящего изобретения предназначена для получения вышеупомянутых положительных эффектов посредством управления параметром, не имеющим отношения к структуре слоя активного материала отрицательного электрода или другой конструктивной детали самого электрода, и особенно выгодна по отношению к уровню техники. Кроме того, авторы настоящего изобретения с удивлением впервые обнаружили в качестве важного фактора, что даже когда относительное содержание изолирующего материала увеличивается до уровня, требуемого для решения проблемы возникновения тока короткого замыкания, появляется только очень слабое влияние на полное электрическое сопротивление батареи. Например, полное внутреннее сопротивление батареи увеличивается лишь на 0,5%, когда электронное сопротивление слоя 3 активного материала отрицательного электрода увеличено 100-кратно. Причиной этого, как предполагается, является то, что многие из частиц активного материала отрицательного электрода расположены смежно друг с другом через изолирующий материал (частицы оксида алюминия), что допускает эффективную диффузию ионов лития в слое 3 активного материала отрицательного электрода. Техническое решение по настоящему варианту воплощения можно, таким образом, адаптировать к требованию обеспечить рабочие характеристики батареи, эквивалентные обычным.

[0035] По следующей процедуре можно судить, расположен ли в слое 3 активного материала отрицательного электрода изолирующий материал между частицами активного материала отрицательного электрода так, чтобы не развивалась проводимость путем перколяции по всему слою активного материала отрицательного электрода. Используя те же самые материалы, что и в слое активного материала отрицательного электрода, построили график, где в качестве вертикальной оси взято относительное содержание изолирующего материала и проводящего материала (активного материала отрицательного электрода), а в качестве горизонтальной оси взят параметр (такой как удельное объемное сопротивление), являющийся показателем проводимости. На основе этого графика определено относительное содержание, соответствующее порогу перколяции. Сделан вывод, что вышеупомянутое требование удовлетворено, когда изолирующий материал содержится в слое активного материала отрицательного электрода в количестве массовых частей (массовой доле), превышающем(ей) порог перколяции (то есть в таком количестве, чтобы не развивалась проводимость путем перколяции по всему слою активного материала отрицательного электрода).

[0036] В настоящем варианте воплощения электронное сопротивление слоя 3 активного материала отрицательного электрода установлено относительно более высоким, чем обычный уровень. Однако трудно однозначно определить конкретную меру электронного сопротивления слоя 3 активного материала отрицательного электрода, поскольку форма слоя 3 активного материала отрицательного электрода варьируется в зависимости от видов и относительного содержания материалов-компонентов в слое 3 активного материала отрицательного электрода. В случае использования отрицательного электрода в нижеуказанной биполярной батарее (особенно, в комбинации с токоотводом на основе смолы) эффективно определять электронное сопротивление отрицательного электрода относительно электронного сопротивления другой конструктивной детали биполярной батареи. Например, удельное объемное сопротивление слоя 3 активного материала отрицательного электрода равно умноженному на 0,1-100 меньшему из удельного объемного сопротивления токоотвода и удельного объемного сопротивления слоя активного материала положительного электрода. В этом случае возможно эффективно предотвращать возникновение короткого замыкания между слоями активного материала электродов, даже если токоотводы вступают в контакт друг с другом. При сравнении между слоем активного материала отрицательного электрода и слоем активного материала положительного электрода, удельное объемное сопротивление слоя активного материала отрицательного электрода предпочтительно равно умноженному на 0,1-1 удельному объемному сопротивлению слоя активного материала положительного электрода. Возможно, ограничивая ухудшение рабочих характеристик батареи, более эффективно предотвращать возникновение тока короткого замыкания через слой активного материала отрицательного электрода, а также возникновение тепловыделения в батарее, так как электронное сопротивление слоя активного материала отрицательного электрода близко к электронному сопротивлению активного материала положительного электрода. При этом удельное объемное сопротивление может быть измерено таким способом, как в нижеприведенных примерах.

[0037] В настоящем варианте воплощения осуществимо применить любую конфигурацию, отличную от вышеуказанной. Например, в качестве изолирующего материала может использоваться любой иной оксид металла, отличный от оксида алюминия. Примерами оксида металла иного, чем оксид алюминия, являются диоксид кремния, диоксид циркония, оксид магния и диоксид титана. Кроме того, в качестве изолирующего материала вместо оксида металла также может использоваться смола. Примерами смол, пригодных к применению в качестве изолирующего материала, являются полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, полиамид, полиамидимид, полиимид, жидкокристаллический полимер, полифениленсульфид, политетрафторэтилен, полиэфирэфиркетон, перфторалкилвиниловый эфир и полиоксиметилен. Вышеупомянутые изолирующие материалы могут использоваться по отдельности или в комбинации двух или более из них. Оксид металла и смола могут использоваться в комбинации. Эти оксиды металлов и смолы доступны для широкого использования в качестве изолирующего материала и, таким образом, имеют преимущество низкой цены и простоты обращения с ними. По желанию, можно легко управлять проводимостью и изолирующим свойством слоя 3 активного материала отрицательного электрода за счет использования такого изолирующего материала в настоящем варианте воплощения.

[0038] В настоящем варианте воплощения, где изолирующий материал находится в форме частиц, средний размер частицы (медианный размер) изолирующего материала (частиц 5 оксида алюминия) находится предпочтительно в диапазоне 0,1-5 мкм. Изолирующий материал может использоваться, даже когда средний размер частицы изолирующего материала находится вне этого диапазона. Средний размер частицы изолирующего материала более предпочтительно составляет 0,3-4 мкм. В качестве альтернативы, предпочтительно, чтобы средний размер частицы (медианный размер) изолирующего материала был меньше чем или равен одной четверти среднего размера частицы у частиц активного материала отрицательного электрода, так чтобы надлежащее количество изолирующего материала (частиц оксида алюминия) могло быть точечно нанесено на поверхности частиц 4 активного материала отрицательного электрода с тем, чтобы эффективно предотвращать непрерывное протекание тока короткого замыкания из-за внутреннего короткого замыкания. Форма частиц изолирующего материала (частиц 5 оксида алюминия) варьируется в зависимости от вида или способа получения изолирующего материала. Частицы изолирующего материала могут быть, но не ограничиваются ими, сферической формы, пластинчатой формы, игольчатой формы, столбчатой формы, рожковой формы и т.п. Предпочтительно, частицы изолирующего материала имеют сферическую форму.

[0039] Содержание изолирующего материала в слое 3 активного материала отрицательного электрода определяется по обстоятельствам, в зависимости от форм активного материала отрицательного электрода и изолирующего материала, таким образом, чтобы не развить путь перколяции по всему слою активного материала. Хотя трудно однозначно определить содержание изолирующего материала в слое 3 активного материала отрицательного электрода, содержание изолирующего материала в слое 3 активного материала отрицательного электрода предпочтительно составляет 1-40 масс.%, более предпочтительно 3-30 масс.%, относительно 100 масс.% частиц активного материала отрицательного электрода. Когда содержание изолирующего материала находится в вышеупомянутом диапазоне, возможно не только предотвращать протекание тока короткого замыкания, но также и поддерживать высокую емкость батареи после старения.

[0040] Как упомянуто выше, слой 3 активного материала отрицательного электрода может содержать любой общеизвестный компонент-добавку, иной, чем вышеупомянутые в настоящем варианте воплощения компоненты. В качестве такого компонента-добавки могут использоваться связующее, электрол